USB总线及其在自动测试系统中的应用

1、http:/www.paper.USB 总线及其在自动测试系统中的应用12崔琳莉李力1. 电子科技大学通信与信息工程学院，成都 610054；2.电子科技大学自动化学院，成都 610054E-mail： c_摘 要：USB 总线是一种支持热插拔、即插即用、传输速率最高可以达到 480Mbps 的串行总线；第三代自动 测试系统强调以计算机为中心设备，基于标准总线技术联接外部仪器/设备来构建系统。本文从 USB 总线 和自动测试系统的自身特点出发，讨论了基于 USB 总线来构建自动测试系统的优势，并提出了系统构建过 程中需要注意的问题及其解决方法。关键词：自动测试系统；USB 总线；虚拟仪器技术中

2、国分类号：TP274.51、自动测试系统自动测试系统是指那些利用计算机控制并实现自动化测试的系统1，它的出现满足了科学技术发展过 程中，对电子测量所提出的测试参数繁多、测试对象复杂、测试速度快、测试精度高等要求。自动测试系统将计算机技术、软件技术、智能仪器、总线与接口技术等有机的结合在一起，它的发展 经历了从专用型向通用型发展的过程。121)早期的自动测试系统多为专用系统，是针对某项具体测试任务而设计的，通常称为第一代自动测试系统。它主要侧重于自动测试设备本体的研制，系统适应性不强，缺乏通用性。2)第二代自动测试系统是在标准的接口总线（如 GPIB）基础上，各设备按积木的形式连接从而组 建的系

3、统。系统中的各个设备（包括计算机、可程控仪器、可程控开关等）均为传统的台式测试 设备，每台设备均配有符合接口标准的接口电路。组建系统时，将所有的设备堆叠在标准 19 英 寸机柜内，并用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起构成系统，通过标准接口实 现系统内仪器与计算机之间的通信。第二代自动测试系统具有组建灵活、方便、可靠性好等优点， 但是传输速率较低、测试系统规模较小、设备资源冗余量较大。3)第三代自动测试系统是以计算机为中心设备，基于标准总线技术，主要由卡式/模块化的仪器/设 备所组成的自动测试系统，仪器、设备或嵌入式计算机以插卡的形式出现，并通过标准总线实现 互连。第三代自动测试系

4、统具有数据传输速度快、数据吞吐量大、体积小、重量轻、系统组建灵 活、扩展容易、资源复用性好、标准化程度高等众多优点，是当前先进的自动测试系统，特别是1http:/www.paper.军用自动测试系统的主要组建方案。在构建测试系统的过程中，测试系统本身所采用的接口总线的能力直接影响系统的总体水平。从自动 测试系统的发展看，自动测试水平的提高，在很大程度上是由于总线技术的不断升级换代的结果，可以说， 接口总线技术发展的水平标志着自动测试发展的水平。从早期的 RS232、GPIB 到近期的 VXI、MXI、PCI、 PXI、CompactPCI、IEEE1394（Firewire）、USB 等总线，

5、尽管技术特性不尽相同（如表 1 所示），但都被 广泛应用，并在此基础上逐渐形成和发展了多总线融合的自动测试系统。表 1 当今几种流行现代测试总线的比较12 34总线类型结构速率传输 距离容量价格性能应用VXI模块化、体 积小40Mb/s256 个高信息吞吐量高，可 靠性强，灵活组建 系统较广泛GPIB通 用 并 行 接口总线1Mb/s20m15 个低采用三线挂钩，性 能可靠，技术成熟较广泛MXI多 点 并 行 单 电 缆 通 讯链20Mb/s20m8 个较高性能高，开放性的 工业标准VXIbus 多机箱系 统外部计 算机 和 VXI 系统间的高 速通讯PCI并行 I/O 总 线132MB/s或

6、528MB/s256 个低提供即插即用缺 乏统一的测试总 线规范PC 平台总线Compact PCI模 块 化 并 行总线132MB/s或528MB/s每组 8 个 插槽，可 扩展适中提供即插即用与 热插拔，有较好的 兼容性和扩展性越来越广泛PXI模 块 化 并 行总线132MB/s或264MB/s每组 8 个 插槽，可 扩展较高有较好的兼容性 和扩展性，具有测 试总线的基本特 性推广应用中USB通 用 串 行 总线480Mb/s3-5m127低通用 PC 外设接口 总线在测试系 统中 有 待推广应用Firewire串 行 通 讯 总线400Mb/s4.5m64 个较高性能优越，使用简 单计算

7、机系统 高速通讯以上几种流行的现代测试总线构建的自动测试系统可以归并为两大类：基于标准 PC 总线结构：计算机采用普通 PC 或笔记本电脑，仪器设备通常为卡式或台式，直接 插入计算机内部插槽或放置在计算机附近，以 ISA、PCI、USB、IEEE1394 等 PC 总线方式实现 计算机单元与仪器设备之间的联系。此类测试系统造价低廉，不具备标准仪器的部分功能，适合于工业测控、现场排故等场合。基于专用测试总线结构：系统需要符合总线要求的机箱和背板，计算机通常采用符合总线要求的 专用计算机或笔记本电脑总线转换模块，仪器设备为卡式模块或台式，插入专用机箱中或放置 在计算机附近，以 GPIB、VXI、P

8、XI/Compact PCI 等专用测试总线方式实现计算机单元与仪器设 备之间的联系。此类测试系统造价较高，仪器设备与标准仪器完全相同，适合于产品验收、质量2http:/www.paper.检验等场合。2、USB 总线简介通用串行总线 USB 是由 COMPAQ、DEC、IBM 等七家公司共同提出的一种新的外设连接技术，目前 的最新版本是 USB2.0 规范，支持低速率的 1.5Mbps、全速的 12Mbps 和高速的 480Mbps 三种速度。USB 设备传输速率快、支持热插拔、易于连接、提供+5V/500mA 电源，可为低功耗外部设备提供电源电压。数 据传输过程中，USB 驱动器、接收器和

9、电缆等硬件消除了可能引起数据错误的噪声，同时在协议中使用了 数据错误的检测并能通知发送者实现数据的重新发送，有效的保证了数据传输的可靠性。一个USB系统是由USB主机、USB设备、USB互联三个方面组成的。USB主机与USB设备之间通过USB 总线进行连接，其物理连接是一个星型结构，集线器位于每个星型结构的中心，每一段都是主机和某个集 线器，或某一功能设备之间的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的 点到点的连接。1 5图 1 总线的拓扑结构3、USB 总线在自动测试系统中的应用3.1 USB 总线在自动测试系统中的应用USB 以其易插拔，无需配置，真正的即插即用等

10、特性在 PC 中获得了广泛的应用，随着虚拟仪器技术 的发展，USB 总线在自动测试系统领域也逐渐焕发出强大的生命力，已经出现了基于 USB 总线的逻辑分 析仪、I/O、数据采集设备等仪器设备，也出现了一系列的自动测试系统。例如 NI 公司推出的 CompactDAQ 便携式测试仪器就采用了 USB 总线，它为各种传感器提供了简单方便的即插即用 USB 连接，以及工作台、 现场和生产线上的电子测量方案。基于 USB 总线来构建自动测试系统时，计算机作为整个系统中的 HOST 设备，负责监测总线上的 USB 设备并分配相应的系统资源，并可按照测试程序要求调用仪器设备完成相关操作；而仪器设备则是 U

11、SB 总线上的一个个 Device 设备，仪器自身通常不再自带键盘面板和显示器等人机交互界面，而是通过 USB 总线接收操作命令返回测试结果。由于一台计算机自身所带的 USB 接口有限，同时 USB 总线的电缆长度3http:/www.paper.一般不超过 5m，因此仪器设备和计算机之间的互联一般是通过集线器来实现。在利用计算机、集线器和USB 仪器搭建起测试硬件平台后，就可以在计算机上运行测试程序完成相应的测试操作。3.2 USB 总线应用到自动测试系统中的优势采用 USB 总线来构建自动测试系统，具有以下几方面优点：系统组建灵活、快捷USB 总线支持热插拔、无需配置，是真正的即插即用。组

12、建系统时可根据系统测试需要，选择适当的 设备连接到计算机即可，操作系统能自动检测到插入系统的 USB 设备，载入合适的驱动软件，而不需要 用户指定端口地址、中断分配等配置内容，系统组建灵活、方便、快捷；当系统中有仪器设备出现故障时， 既不需要关闭计算机，也不需要打开机箱，直接更换设备即可，此时操作系统会自动检测并为设备使用做 好准备，有效缩短了测试系统的平均维护时间。由于 USB 接口本身可提供+5V/500mA 的电源，已经可以满足某些低功耗的仪器设备需要。利用这样 的设备构建的简单系统，只需要一台笔记本电脑加上相关设备即可完成工作，而不需要再单独配备外部电 源，可满足某些特殊环境的测试需要

13、。软、硬件技术成熟、资源丰富USB 是由 Compaq、DEC、IBM、Intel、NEC、Microsoft 以及 Northern Telecom 等七家公司于 1994 年11 月共同提出并正在逐步完善，在以上几家大型的计算机软硬件厂商的支持下，软硬件资源丰富、技术成 熟。目前，Cypress、Microchip、Motorola、Atmel、Philips 等大型的芯片制造商都提供成熟的 USB 接口芯 片以及配套的开发设备和驱动程序模板，开发者只需要稍做修改就可以完成设计。USB 设备的使用还需要操作系统的支持，以实现检测 USB 设备连接到系统或从系统中撤出；与新连 接设备通信，实

14、现数据交换；提供上层软件驱动 USB 硬件以及访问 USB 硬件的机制。目前，Microsoft 公 司的 Windows98/2000/XP、苹果公司的 iMac、Linux、FreeBSD 以及 NetBSD 等操作系统均支持 USB。性价比高利用 USB 总线结构构建自动测试系统时，无须购买专用的计算机和机箱，只需要提供带有 USB 接口 的普通 PC 或笔记本电脑加上扩展用的集线器即可，外部设备通过 USB 总线与计算机相联。测试系统软件 通过调用 USB 总线设备的驱动程序，实现相应的测试操作，从而完成测试任务。3.3 需要注意的问题利用 USB 总线结构来构建自动测试系统的过程中，

15、还需要充分认识到 USB 自身的特性，考虑以下三 个方面的问题。设备供电4http:/www.paper.由于 USB 总线自身只能提供给外设5v/500mA 的电源，因此在设计时需要充分考虑设备的功耗要求，如果 USB 总线提供的电源不能完全满足设备功耗要求时，需要考虑专门为外设提供外部供电。静电防护USB 设备支持即插即用，但是没有提供类似 Compact PCI 总线使用的静电放电槽，因此在插入设备的 瞬间，可能出现由于 USB 设备积累大量电荷而瞬时放电，导致烧毁设备或主板的南桥芯片；外部供电的 USB 设备在使用时，如果存在外设与计算机不共地的情况，同样可能烧毁设备或主板的南桥芯片。

16、针对以 上两种情况，建议在使用时，强制将设备外壳与计算机外壳接地，以保证两者之间始终共地，不会有较大 的压差或积累电荷存在，从而确保设备在热插拔过程中的安全。软件设计 测试系统软件的开发通常是建立在虚拟仪器软件结构的基础上，上层应用软件的开发是基于 VXI plug& play 驱动器或 VISA/SICL/SCPI 命令的基础上实现对仪器设备的操作和控制的。而 USB 设备通常只提供硬件驱动程序，软件开发人员需要以文件操作的方式对其进行访问，这对测试系统的软件开发而言就显得 不甚方便。因此在开发 USB 总线设备时，建议按照 VPP-3.2 仪器驱动程序开发规范要求对 USB 硬件驱动 进行

17、二次封装，生成符合规范要求的仪器驱动程序，提供初始化函数、配置函数、作用/状态函数、数据函 数、关闭函数等控制仪器特定功能的软件模块，以及模块特定功能决定的完整的测试和测量操作函数，这 将为上层应用软件的开发带来莫大的方便。参 考 文 献1 李行善，左毅，孙杰 自动测试系统集成技术 电子工业出版社，20042 孙续 自动测试系统与可程控仪器 电子工业出版社，19943 陈长龄，田书林，师奕兵，黄建国 自动测试及接口技术 机械工业出版社 20054 张毅刚，彭喜元，姜守达，付平 自动测试系统 哈尔滨工业大学出版社 20015 张念淮，江浩 USB 总线接口开发指南 国防工业出版社 2001USB

18、 Bus and Its Application in an Auto-test SystemCui Linli1, Li Li21.School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science andTechnology of China, Chengdu 610054,China;2.School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)Abstract: USB bus is a serial bus, supporting hot swap, plug and play, and the highest transfer rate up to 4805http:/www.paper.Mbps. The third generation ATS emphasizes the computer for central equipment, based on standard bus